电动汽车智能充电桩的设计与实现_孟祥军

Scotland’sLow Carbon Future［R］． Scotland：
WWF Scotland，2010
［9］ The Alpiq Group． Electric Vehicle Market Pen-
etration inSwitzerland by 2020 ［R］． Switzer-
doi： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 9528． 2011． 06． 14
摘要 关键词
针对国内电动汽车充电桩规范化和标准化的需求，设计并实现了一种符合国网公司标准的 电动汽车智能充电桩。首先介绍了国内电动汽车充电桩的现状、需求，然后以国网公司标 准为设计原则，进行了硬件系统、主控板及监控单元的设计，采用了模块化设计原则进行了 软件系统的设计，针对充电桩恶劣工作环境进行了环境及电磁兼容设计。本充电桩已在山 东临沂、济南等众多充换电站运行使用，运行结果表明该装置安全、稳定、可靠，必将为电动 汽车的发展提供强有力的保障。 电动汽车 充电桩 硬件系统
land： The Alpiq Group，2010
［10］ Helena Spongenberg． EU States Plug in to E-
lectric Cars［EB / OL］． http： / / euobserver． com
/882 /26594． ［2010 － 10 － 10］
Keywords Electric vehicle Charging pile Hardware system
随着国家新能源战略的推动和电动汽车行业的 发展，电动汽车充电行业的发展非常迅速［1 ～ 2］。目 前，我国电动汽车充换电设施试点工程已建成并投 运 87 座标准化充换电站、5179 台充电机和 7031 台 交流充电桩，覆盖全国 26 个省市，杭州初步建成电 动汽车充换电服务网络。充换电站及充电桩数量已 居世界第一，我国成为世界上电动汽车充电装置最 多的国家［3 ～ 4］。为适应电动汽车发展要求，国家电 网将在“十二五”期间建设充换电站 2351 座，充电 桩 22 万个，初步建成覆盖公司经营区域的智能充换 电服务网络。
图 3 充电桩软件系统主程序流程图
1． 2． 2 功能模块设计 充电桩软件设计时采用了模块化的编写原则，
这样既能保证电动汽车充电桩软件系统高效可靠的 运行，又能使该软件系统具有良好的扩展性，对产品 升级换代具有非常重要的意义［6 － 7］。
按充电桩软件系统的功能可以把系统分为主控 模块、人机交互、读卡器模块、计量计费模块、打印模
桩体结构及工艺设计采用交叉覆盖工艺，既保 证了桩体的防护等级达到 IP54 标准，在雨雪、水溅 等情况下，水珠不能进入桩体及桩体内部； 又能够在 工作时形成良好空气流动，保证充电桩内部元件的 散热；
桩体主体采用镀锌钢板，外表面采用汽车烤漆 工艺，保证了充电桩在潮湿、盐雾等恶劣天气环境下 不锈蚀；
元件选型时，所有零部件采用工业级元器件，保 证充电桩在工业环境温度范围内稳定正常工作；
电气设计时，采用防雷器，电路设计上采用压敏 电阻、瞬变抑制二极管、磁环、磁珠等措施，保证充电 桩在典型工业骚扰环境下正常工作。 2 项目实施情况
本项目开发完成的电动汽车充电桩，于 2010 年 12 月 27 日通过了电力工业电力系统自动化设备质 量检验测试中心的型式试验； 目前，本项目已通过有 关专家的鉴定，并在山东临沂焦庄充电站、义堂充电 站，山东济 南 英 贤 充 电 站、葛 家 庄 充 电 站 等 推 广 应 用，得到一致好评。现场应用图片如图 5 所示。
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自动Biblioteka Baidu制 信息技术与信息化
块、后台通讯模块、远程通信模块等功能模块。其主 要功能框图如图 4 所示。
图 4 软件系统功能框图 当软件系统启动时，主控程序根据系统配置文 件加载程序配置信息，并根据配置信息完成各通信 模块的加载。软件平台强大的多线程处理能力，主 控程序能够轻松的完成与各通信模块的交互。主控 程序通过各模块通信能够完成用户信息采集与展 示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费 功能等功能，同时该主控程序还具备后台通信功能， 能够把充电过程中的实时数据、充电记录等信息上 送到远方后台系统。 人机交互模块设计时，界面显示单元显示的内 容非常丰富，其中主要界面有欢迎界面、连接确认界 面、充电参数设定界面、启动充电界面、充电界面、停 止充电界面、结账界面、打印界面等。人机交互模块 通过与主控模块的交互，获取控制命令完成界面切 换； 获取用户信息与实时数据信息并进行信息展示。 安全模块由带安全存取模块（ SAM） 的读卡器， 密钥管理系统，数据加密、解密模块组成。带安全存 取模块（ SAM） 的读卡器采用硬件加密技术，对用户 卡与充电桩数据交互过程中所使用的临时变量进行 加密处理，并对传递过程进行线路加密，保证了用户 卡与充电桩进行数据交互的过程中，信息不会被外 界窃取。密钥管理系统的主要功能是提供各种密钥 的生成机制和加密算法，并将生成的密钥存储在具 有密钥导 出 功 能 的 CPU 智 能 卡，即 SAM （ Security Access Module） 卡中。数据加密模块用于把用户数 据按照事先约定的加密方式加密并存储在用户卡的 用户数据区域。解密模块用于将读取的用户卡数据 还原为原始数据并进行相关的用户识别，扣费等操 作。 1． 3 环境及电磁兼容设计
桩浅析［J］． 农村电工，2010． 9
桩的技术水平和实用化水平，有力的推动了电动汽 ［7］ 崔玉峰，杨晴，张林山，王骏． 国内外电动汽车
车充电行业的发展。
发展现状及充电技术研究［J］． 云 南 电 力 技
术，2010，2
［8］ Scotland WWF． The Role of Electric Vehicles in
图 5 临沂焦庄充换电站现场照片 充电桩操作界面如图 6 所示。 3 结论 本充电桩严格遵守国网公司相关标准，并根据 电动汽车产业发展的规划和发展方向，研制了一种
信息技术与信息化 自动控制
稳定、可靠、安全、实用的电动汽车智能充电桩。运 ［6］ 齐文炎，霍明霞，杨延超． 电动汽车交流充电
行结果表明，本充电桩的使用提高了电动汽车充电
充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模 块有机的结合起来，实现各模块的协调调用，系统整 体控制流程图如图 3 所示。
图 1 充电桩硬件系统组成框图 主控板是硬件系统的核心组成部分，完成充电 过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并可通过多 种通讯方式将数据实时传输至后台。主控板的主要 功能特点包括： 具备 6 个串口，一个以太网口，动态 的 SDRAM 控制器，NAND 控制器，以及多路 IO 口， 具备工业级的温度范围等［6］。 为了实时监测充电桩的运行状态，保证充电过 程的安全、可靠，设计了监控保护单元。监控保护单 元组成框图如图 2 所示。该单元对充电桩的进线输 入电压，充电输出电压、电流，充电接口连接状态，车 载电池管理系统状态，车载电池状态等进行实时监 测，一旦出现异常，能够及时切断电源输出，保护电 动汽车、电池及充电桩本身的安全。 1． 2 软件系统设计 1． 2． 1 系统工作流程 当电动汽车需要充电时，用户将充电卡放置刷 卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充 电接口，选择充电模式，启动充电过程。 在上述过程中，控制保护单元检测充电接口连 接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同 时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮，监控 单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状 态、充电开 关 状 态 等，在 异 常 或 故 障 时 断 开 充 电 开
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信息技术与信息化
设计，增加了视频拍照、微型热敏打印、无线组网等 功能。 1． 1 硬件系统设计
电动汽车充电桩硬件系统主要由主控板、监控 板、IC 卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、 指示灯、按键等组成。硬件系统的硬件组成如图 1 所示。
关，并报警。
自动控制
图 2 监控单元组成框图
自动控制 信息技术与信息化
电动汽车智能充电桩的设计与实现
Design and Implementation of Electric Vehicle Intelligent Charging Pile
孟祥军* 梁 涛＊＊ 王兴光 陈 杰 李建祥* MENG Xiang － jun LIANG Tao WANG Xing － guang CHEN Jie LI Jian － xiang
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电动汽车充电桩应用环境大多在室外，工作环 境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、 低温等恶劣天气的考验； 同时，电动汽车作为一个充 电设备，还必须能够承受各种电磁干扰的考验，在典 型的工 业 电 磁 骚 扰 环 境 下 能 够 正 常 提 供 充 电 服 务［7 ～ 10］。
Abstract According to the standardization requirements of electric vehicle charging pile，electric vehicle intelligent charging pile based on state grid standardization is designed and implemented． The paper first present current situation and requirements of national electric vehicle charging pile，then hardware system，demo － board，monitoring unit are designed by rule of state grid standardization． Software system is designed by modulation rule． Environmental and EMC measurement are designed for electric vehicle terrible environment． The electric vehicle charging piles are used in Linyi，Jinan charging station of Shandong Province． Experimental result show that the equipment run safely，stably，reliably，which will provide powerful guarantee for electric vehicle development．
1 电动汽车充电桩设计
本项目设计的电动汽车智能充电桩依据《NB / T 33002 － 2010 电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q / GDW 485 － 2010 电动汽车交流充电桩技术条件》、 《Q / GDW 478 － 2010 电动汽车充电设施建设技术导 则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意 见》相关要求进行设计。该产品在满足相关标准对 电动汽车充电桩的技术要求基础上，强化了充电桩 电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的
针对目前市场上电动汽车和充电设备接口不统 一、功能、性能设计标准不统一，质量良莠不齐的现
山东电力集团公司科技项目（ 编号： 2011A － 04） 国网公司科技项目（ 编号： SGKJ［16］） * 山东电力研究院 山东济南 250002 ＊＊ 山东鲁能智能技术有限公司 山东济南
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状，国家先后出台了一系列的规范和标准［5］。电动 汽车充电桩作为电动汽车充电的主要渠道，其性能、 工艺水平和质量直接影响到电动汽车的推广。因 此，非常有必要根据国家相关标准的要求，进行了电 动汽车充电桩的设计。电动汽车充电桩设计时，不 仅要满足电动汽车充电的基本功能，还需要强化充 电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性 能的设计。